如何在嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/0SII上移植實現(xiàn)LwIP
1 引言
隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的日益結(jié)合,在嵌入式實時操作系統(tǒng)中引入TCP/IP協(xié)議棧,以支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò),成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。uC/0S II是近年來發(fā)展迅速的一個開放源碼實時操作系統(tǒng),但它只是一個實時的任務(wù)調(diào)度及通信內(nèi)核,缺少對外圍設(shè)備和接口的支持,如沒有文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形界面。筆者在多個嵌入式項目的開發(fā)過程中,以開源TCP/IP協(xié)議棧LwIP為基礎(chǔ),給uC/0S II加上了網(wǎng)絡(luò)支持。下面就以uC/0S II +LwIP分別在8位MCU ez80和32位MCU ARM7TDMI上的實現(xiàn)為例進行說明。
需要說明的是,筆者使用的ez80系統(tǒng)是Zilog公司的ez80190開發(fā)板,自帶網(wǎng)絡(luò)芯片。而ARM7系統(tǒng)是使用筆者參與開發(fā)的Skyeye,一個基于GDB的ARM7TDMI指令級軟件仿真器。Skyeye小組最近為Skyeye加上了軟件模擬的Ne2k兼容網(wǎng)絡(luò)芯片,可以運行帶網(wǎng)絡(luò)支持的μcLinux和uC/0S II。以下的全部相關(guān)程序和代碼都可以在Skyeye網(wǎng)站(hpclab.cs.tsinghua.edu.cn/~skyeye/)下載。
2 基于uC/0S II的網(wǎng)絡(luò)平臺概述
嵌入式操作系統(tǒng)uC/0S II是一個公開源代碼的占先式多任務(wù)的微內(nèi)核RTOS,其性能和安全性可以與商業(yè)產(chǎn)品競爭。uC/0S II的特點可以概括為以下幾個方面:公開源代碼,代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了,注釋詳盡,組織有條理,可移植性好??刹眉?,可固化。內(nèi)核屬于搶占式,最多可以管理60個任務(wù)。uC/0S II自1992年的第一版(uC/0S)以來已經(jīng)有好幾百個應(yīng)用,是一個經(jīng)實踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內(nèi)核。目前國內(nèi)對uC/0S II的研究和應(yīng)用都很多。
TCP/IP是Internet的基本協(xié)議,以其實用性、高效性已經(jīng)成為事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。嵌入式設(shè)備要與Internet網(wǎng)絡(luò)直接交換信息,就必須支持TCP/IP協(xié)議。目前嵌入式設(shè)備上TCP/IP方案有很多種,但面向低端應(yīng)用的開源嵌入式網(wǎng)絡(luò)平臺還很少見。
uC/0S II是一個富有開放色彩的RTOS,只要買一本書就可獲得源代碼,對學(xué)校和教育的使用完全免費,商業(yè)應(yīng)用的費用相對也很低。但是它目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商業(yè)化的,用戶需要付費才能獲得,很少給出源代碼,這影響了uC/0S II的研究和推廣。通過把開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到uC/0S II上來,就獲得了一套可免費研究、學(xué)習(xí)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)軟件平臺。
3 開源TCP/IP協(xié)議棧LwIP簡介
LwIP是瑞士計算機科學(xué)院(Swedish InSTitute of Computer Science)的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LwIP的含義是Light Weight(輕型)IP協(xié)議。LwIP可以移植到操作系統(tǒng)上,也可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行。LwIP TCP/IP實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用,一般它只需要幾十K的RAM和40K左右的ROM就可以運行,這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。
LwIP的特性如下:
(1) 支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)
(2) 支持ICMP協(xié)議
(3) 包括實驗性擴展的的UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)
(4) 包括阻塞控制,RTT估算和快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)的TCP(傳輸控制協(xié)議)
(5) 提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口(Raw API)用于提高應(yīng)用程序性能
(6) 可選擇的Berkeley接口API(多線程情況下)
我們目前使用的是LwIP的最新穩(wěn)定版V0.5.3。有關(guān)LwIP的詳細(xì)內(nèi)容,可以參考其代碼和網(wǎng)站上的文檔。
4 LwIP在uC/0S II下的實現(xiàn)
4.1 概述
LwIP協(xié)議棧在設(shè)計時就考慮到了將來的移植問題,因此把所有與硬件、OS、編譯器相關(guān)的部份獨立出來,放在/SRC/arch目錄下。因此LwIP在uC/0S II上的實現(xiàn)就是修改這個目錄下的文件,其它的文件一般不應(yīng)該修改。下面分幾部份分別說明相應(yīng)文件的實現(xiàn)原理和過程。具體的代碼限于篇幅沒有給出,Skyeye網(wǎng)站上有完整的代碼和說明。
4.2 與CPU或編譯器相關(guān)的include文件
/src/arch/include/arch目錄下CC.h、CPU.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關(guān)的定義,如數(shù)據(jù)長度,字的高低位順序等。這應(yīng)該與用戶實現(xiàn)uC/0S II時定義的數(shù)據(jù)長度等參數(shù)是一致的。
#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //ARM7默認(rèn)為小端存儲系統(tǒng)
//數(shù)據(jù)類型長度的定義
typedef unsigned char u8_t;
typedef signed char s8_t;
typedef unsigned short u16_t;
typedef signed short s16_t;
typedef unsigned int u32_t;
typedef signed int s32_t;
此外還有一點:一般情況下C語言的結(jié)構(gòu)體struct是4字節(jié)對齊的,但是在處理數(shù)據(jù)包的時候,LwIP使用的是通過結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)的長度來讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)的,所以,一定要在定義struct的時候使用_PACked關(guān)鍵字,讓編譯器放棄struct的字節(jié)對齊。LwIP也考慮到了這個問題,所以,在它的結(jié)構(gòu)體定義中有幾個PACKED_FIELD_xxx宏,默認(rèn)的時候這幾個宏都是空的,可以在移植的時候添加不同的編譯器所對應(yīng)的_packed關(guān)鍵字。比如在Skyeye(ARM7)上對應(yīng)gcc編譯器的定義:
#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x __attribute__((packed))
#define PACK_STRUCT_STRUCT __attribute__((packed))
#define PACK_STRUCT_BEGIN
#define PACK_STRUCT_END
4.3 sys_arch操作系統(tǒng)相關(guān)部份
sys_arch.[ch]中的內(nèi)容是與OS相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù),主要可以分為四個部份:
(1) sys_sem_t 信號量
LwIP中需要使用信號量通信,所以在sys_arch中應(yīng)實現(xiàn)信號量結(jié)構(gòu)體和處理函數(shù):
struct sys_sem_t
sys_sem_new() //創(chuàng)建一個信號量結(jié)構(gòu)
sys_ sem _free() //釋放一個信號量結(jié)構(gòu)
sys_ sem _signal() //發(fā)送信號量
sys_ arch_sem _wait() //請求信號量
由于uC/0SII已經(jīng)實現(xiàn)了信號量OS_EVENT的各種操作,并且功能和LwIP上面幾個函數(shù)的目的功能是完全一樣的,所以只要把uC/0SII的函數(shù)重新包裝成上面的函數(shù),就可以直接使用了。
(2) sys_mbox_t 消息
LwIP使用消息隊列來緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報文,因此要在sys_arch中實現(xiàn)消息隊列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t,以及相應(yīng)的操作函數(shù):
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